ABSTRACT Effective data sharing is key to accelerating research that will improve the precision of diagnoses, efficacy of treatments and long-term survival of pediatric cancer and other childhood catastrophic diseases. We present St. Jude Cloud ( https://www.stjude.cloud ), a cloud-based data sharing ecosystem developed via collaboration between St. Jude Children’s Research Hospital, DNAnexus, and Microsoft, for accessing, analyzing and visualizing genomic data from >10,000 pediatric cancer patients, long-term survivors of pediatric cancer and >800 pediatric sickle cell patients. Harmonized genomic data totaling 1.25 petabyes on St. Jude Cloud include 12,104 whole genomes, 7,697 whole exomes and 2,202 transcriptomes, which are freely available to researchers worldwide. The resource is expanding rapidly with regular data uploads from St. Jude’s prospective clinical genomics programs, providing public access as soon as possible rather than holding data back until publication. Three interconnected apps within the St. Jude Cloud ecosystem—Genomics Platform, Pediatric Cancer Knowledgebase (PeCan) and Visualization Community—provide a unique experience for simultaneously performing advanced data analysis in the cloud and enhancing the pediatric cancer knowledgebase. We demonstrate the value of the St. Jude Cloud ecosystem through use cases that classify 48 pediatric cancer subtypes by gene expression profiling and map mutational signatures across 35 subtypes of pediatric cancer.

Understanding the cellular origins of childhood brain tumors is key for discovering novel tumor-specific therapeutic targets. Previous strategies mapping cellular origins typically involved comparing human tumors to murine embryonal tissues 1,2 , a potentially imperfect approach due to spatio-temporal gene expression differences between species 3 . Here we use an unprecedented single-nucleus atlas of the developing human cerebellum (Sepp, Leiss, et al) and extensive bulk and single-cell transcriptome tumor data to map their cellular origins with focus on three most common pediatric brain tumors – pilocytic astrocytoma, ependymoma, and medulloblastoma. Using custom bioinformatics approaches, we postulate the astroglial and glial lineages as the origins for posterior fossa ependymomas and radiation-induced gliomas (secondary tumors after medulloblastoma treatment), respectively. Moreover, we confirm that SHH, Group3 and Group4 medulloblastomas stem from granule cell/unipolar brush cell lineages, whereas we propose pilocytic astrocytoma to originate from the oligodendrocyte lineage. We also identify genes shared between the cerebellar lineage of origin and corresponding tumors, and genes that are tumor specific; both gene sets represent promising therapeutic targets. As a common feature among most cerebellar tumors, we observed compositional heterogeneity in terms of similarity to normal cells, suggesting that tumors arise from or differentiate into multiple points along the cerebellar “lineage of origin”.

Abstract Pediatric high-grade glioma (pHGG) is a major contributor to cancer-related death in children. In vitro and in vivo disease models reflecting the intimate connection between developmental context and pathogenesis of pHGG are essential to advance understanding and identify therapeutic vulnerabilities. We established 21 patient-derived pHGG orthotopic xenograft (PDOX) models and eight matched cell lines from diverse groups of pHGG. These models recapitulated histopathology, DNA methylation signatures, mutations and gene expression patterns of the patient tumors from which they were derived, and included rare subgroups not well-represented by existing models. We deployed 16 new and existing cell lines for high-throughput screening (HTS). In vitro HTS results predicted variable in vivo response to inhibitors of PI3K/mTOR and MEK signaling pathways. These unique new models and an online interactive data portal to enable exploration of associated detailed molecular characterization and HTS chemical sensitivity data provide a rich resource for pediatric brain tumor research.

Abstract Rhabdomyosarcoma (RMS) is a pediatric cancer with features of skeletal muscle; patients with unresectable or metastatic RMS fare poorly due to high rates of disease recurrence. Here, we use single cell and single nucleus RNA-sequencing to show that RMS tumors recapitulate the spectrum of embryonal myogenesis. Using matched patient samples from a clinical trial and orthotopic patient-derived xenografts (O-PDXs), we show chemotherapy eliminates the most proliferative component with features of myoblasts; after treatment, the quiescent immature population with features of paraxial mesoderm expands to reconstitute the developmental hierarchy of the original tumor. We discovered that this paraxial mesoderm population is dependent on EGFR signaling and is sensitive to EGFR inhibitors. Taken together, this data serves as a proof-of-concept that targeting each developmental state in RMS is an effective strategy for improving outcomes by preventing disease recurrence.

SUMMARY Neuroblastoma is a pediatric cancer arising from the developing sympathoadrenal lineage with complex inter- and intra-tumoral heterogeneity. To chart this complexity, we generated a comprehensive cell atlas of 55 neuroblastoma patient tumors, collected from two pediatric cancer institutions, spanning a range of clinical, genetic, and histologic features. Our atlas combines single-cell/nucleus RNA-seq (sc/scRNA-seq), bulk RNA-seq, whole exome sequencing, DNA methylation profiling, spatial transcriptomics, and two spatial proteomic methods. Sc/snRNA-seq revealed three malignant cell states with features of sympathoadrenal lineage development. All of the neuroblastomas had malignant cells that resembled sympathoblasts and the more differentiated adrenergic cells. A subset of tumors had malignant cells in a mesenchymal cell state with molecular features of Schwann cell precursors. DNA methylation profiles defined four groupings of patients, which differ in the degree of malignant cell heterogeneity and clinical outcomes. Using spatial proteomics, we found that neuroblastomas are spatially compartmentalized, with malignant tumor cells sequestered away from immune cells. Finally, we identify spatially restricted signaling patterns in immune cells from spatial transcriptomics. To facilitate the visualization and analysis of our atlas as a resource for further research in neuroblastoma, single cell, and spatial-omics, all data are shared through the Human Tumor Atlas Network Data Commons at www.humantumoratlas.org .

Abstract Background Survival data for recurrent pediatric atypical teratoid rhabdoid tumor (ATRT) and its association to molecular groups are extremely limited. Methods Single‐institution retrospective study of 64 children less than 21 years old with recurrent or treatment‐refractory (progressive disease [PD]) ATRT treated at St. Jude Hospital from January 2000 to December 2020. Demographic, clinicopathologic, treatment, molecular grouping (SHH, TYR, and MYC) and germline data were collected. Progression‐free survival (PFS2: time from PD to subsequent first progression) and overall survival (OSpostPD: time from PD to death/last follow‐up) were estimated by Kaplan–Meier analysis. Results Median age at and time from initial diagnosis to PD were 2.1 years (range: 0.5–17.9 years) and 5.4 months (range: 0.5–125.6 months), respectively. Only five of 64 children (7.8%) are alive at median follow‐up of 10.9 (range: 4.2–18.1) years from PD. The 2/5‐year PFS2 and OSpostPD were 3.1% (±1.8%)/1.6% (±1.1%) and 20.3% (±4.8%)/7.3% (±3.5%), respectively. Children with TYR group ( n = 10) had a better OSpostPD compared to those with MYC ( n = 11) (2‐year survival estimates: 60.0% ± 14.3% vs. 18.2% ± 9.5%; p = .019), or those with SHH ( n = 21; 4.8% ± 3.3%; p = .014). In univariate analyses, OSpostPD was better with older age at diagnosis ( p = .037), female gender ( p = .008), and metastatic site of PD compared to local or combined sites of PD ( p < .001). Two‐year OSpostPD for patients receiving any salvage therapy ( n = 39) post PD was 33.3% ± 7.3%. Conclusions Children with recurrent/refractory ATRT have dismal outcomes. Older age at diagnosis, female gender, TYR group, and metastatic site of PD were associated with relatively longer survival in our study.

Mechanistic target of rapamycin (MTOR) cooperates with Hedgehog (HH) signaling, but the underlying mechanisms are incompletely understood. Here, we provide genetic, biochemical, and pharmacologic evidence that MTOR complex 1 (mTORC1)- dependent translation is a prerequisite for HH signaling. The genetic loss of mTORC1 function inhibited HH signaling-driven growth of the cerebellum and medulloblastoma. Inhibiting translation or mTORC1 blocked HH signaling. Depleting 4EBP1, an mTORC1 target that inhibits translation, alleviated the dependence of HH signaling on mTORC1. Consistent with this, phosphorylated 4EBP1 levels were elevated in HH signaling- driven medulloblastomas in mice and humans. In mice, an mTORC1 inhibitor suppressed medulloblastoma driven by a mutant SMO that is resistant to an SMO inhibitor in the clinic, prolonging the survival of the mice. Our study reveals mTORC1- mediated translation to be a key component of HH signaling and an important target for treating medulloblastoma and other cancers driven by HH signaling.

Treatment-induced high-grade gliomas (TIHGGs) are an incurable late complication of cranial radiation therapy or combined radiation/chemotherapy used to treat pediatric cancer. We assembled a cohort of 33 TIHGGs from multiple institutions. The primary antecedent malignancies were medulloblastoma, acute lymphoblastic leukemia, astrocytoma, and ependymoma. We performed methylation profiling, RNA-seq, and genomic sequencing (whole-genome or whole-exome) on TIHGG samples. Methylation profiling revealed that TIHGGs cluster primarily with the pediatric receptor tyrosine kinase I subtype (26/31 samples). Common TIHGG copy-number alterations include Chromosome (Ch.) 1p loss/1q gain, Ch. 4 loss, Ch. 6q loss, and Ch. 13 and Ch. 14 loss; focal alterations include PDGFRA and CDK4 gain and loss of CDKN2A and BCOR . Relative to de novo pediatric high-grade glioma (pHGG), BCOR loss (p=0.004) and CDKN2A loss (p=0.005) were significantly increased. Transcriptomic analysis identified two distinct TIHGG subgroups, one with a lesser mutation burden (0.12 mut/Mb), Ch. 1p loss/1q gain (5/6 samples), and stem cell characteristics, and one with a greater mutation burden (1.08 mut/Mb, p<0.0002), depletion of DNA repair pathways, and inflammatory characteristics. We observed increased chromothripsis in TIHGG versus pHGG (67% vs. 31%, p=0.036), which was associated with extrachromosomal circular DNA-mediated amplification of PDGFRA and CDK4 . In vitro drug screening in one primary, patient-derived TIHGG cell line from each expression subgroup identified microtubule inhibitors/stabilizers, DNA-damaging agents, MEK inhibition, and, in the inflammatory subgroup, proteasome inhibitors as potentially effective therapies. This study provides a comprehensive molecular profile of TIHGG, including mechanistic insights to TIHGG oncogenesis, and identifies potentially effective therapeutic modalities for further investigation.

Medulloblastoma is a childhood brain tumor arising from the developing cerebellum. In Sonic Hedgehog (SHH)- subgroup medulloblastoma, aberrant activation of SHH signaling causes increased proliferation of granule neuron progenitors (GNPs) and predisposes these cells to tumorigenesis. A second, cooperating genetic hit is often required to push these hyperplastic cells to malignancy and confer mutation-specific characteristics associated with oncogenic signaling. Somatic loss-of-function mutations of the transcriptional co-repressor BCOR are recurrent and highly enriched in SHH-medulloblastoma. To investigate BCOR as a putative tumor suppressor, we used a germline genetically engineered mouse model to delete exons 9/10 of Bcor (BcorΔE9-10) in GNPs during development. This leads to reduced expression of C-terminally truncated BCOR (BCORΔE9-10). While BcorΔE9-10 alone did not promote tumorigenesis or affect GNP differentiation, BcorΔE9-10 combined with loss of the SHH- receptor gene Ptch1 resulted in highly penetrant medulloblastomas. In Ptch1+/-;BcorΔE9-10 tumors, the growth factor gene Igf2 was aberrantly upregulated, and ectopic Igf2 overexpression was sufficient to drive tumorigenesis in Ptch1+/- GNPs. BCOR directly regulates Igf2, likely through the PRC1.1 complex; the repressive histone mark H2AK119Ub is decreased at the Igf2 promoter in Ptch1+/-;BcorΔE9-10 tumors. Overall, our data suggests that BCOR-PRC1.1 disruption leads to Igf2 overexpression, which transforms preneoplastic cells to malignant tumors.